Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
3.5.2. Факторы, влияющие на процесс брожения Активность и репродуктивная способность микроорганизмов зависит от температуры. Сбраживание может происходить при различных температурах (до 54С), причем, чем выше температура, тем больше скорость сбраживания и больше выход биогаза, но меньше в газе доля метана. Различат три уровня температуры сбраживания: псикрофильный – температура около 20С, мезофильный – температура около 30–40С, термофильный – температура около 50–60С. В процессе сбраживания выделяется тепло порядка 1,5 МДж на 1 кг сухой массы. Это обычно недостаточно для необходимого повышения температуры сбраживаемой массы. Для осуществления процесса сбраживания 95% массы должна составлять вода. Для максимальной производительности метанообразующих бактерий необходимо поддерживать содержание pH в диапазоне 6,6–7,6 (обычно корректируется известью), а также требуется содержание азота около 10% и фосфора около 2% от сухой массы сырья. Соотношение углерода и азота должно быть C/N = 10–16. Исходное сырье. К органическим отходам сельскохозяйственного производства относятся: экскременты животных и растительные материалы (солома, свекольная и картофельная ботва и другие растительные остатки, если они не используются непосредственно в качестве корма. Например, при производстве зерновых на каждую тонну продукта получается около 1,4–1,6 тонн соломы. Одна свинья в год выдает около 1,5 тонн экскрементов, корова – 11 тонн. Энергия растений, идущих на корм животным, используются последними лишь на 30–40%, остальная же часть органического вещества идет в навоз. Навоз, внесенныq в почву под воздействием солнца, воздуха и воды, разлагается в аэробных условиях и отдает в атмосферу до 1600 МДж тепла на 1 т свежего навоза. Следует учитывать, что некоторые органические соединения растений (например, лигнин) и все неорганические составляющие не поддаются сбраживанию. Среди отходов сельскохозяйственого производства наибольшее количество необходимых для иметанового брожения веществ имеется у экскрементов животных (содержание азота 2–10%, фосфора – 0,2–2,7%, соотношение углерода и азота C/N = 9–15). Так как жвачные животные потребляют корма с высоким содержанием сырой клетчатки, то выход газа из их экскрементов выше, чем из экскрементов кур и свиней. Однако отходы животноводства кроме экскрементов могут включать в себя различные количества воды, подстилочного материала и остатка кормов. Это может существенно повлиять на состав сырья. Состав соломы (содержание азота 0,46–1,2%, фосфора – 0,08–0,19%, соотношение углерода и азота C/N = 9–15) и ботвы (содержание азота 2–10%, фосфора – 0,2–2,7%, соотношение углерода и азота должно C/N = 30–165) не соответствует составу качественного сырья для метанового сбраживания. Для сбраживания этих материалов необходимо добавление в них богатых азотом веществ, например, куриного помета или свиного навоза. 3.5.3. Особенности и методы переработки отходов животноводства и растениеводства Отходы органического происхождения представляют собой и большую ценность (так как являются органическим удобрением и топливом) и опасностью для окружающей среды (так как содержат различные вредные вещества). Из органических отходов наибольшую опасность представляют свиноводческие отходы, куриный помет, навоз крупнорогатого скота. Не переработанные отходы несут большой вред, занимая огромные территории, являясь очагом зловония и опасных болезней. Например, свиноводческий комплекс мощностью 108 тыс. голов ежесуточно выделяет в атмосферу 36 млрд. микробов, 3600 кг аммиака, 350 кг сероводорода. В зоне до 3 км такой комплекс является очагом инфекционных заболеваний: туберкулеза, бруцеллеза, лентоспироза. Поля в этой зоне перегружены стоками от комплекса и продукция растениеводства, полученная на этих полях имеет низкое качество и загрязнена нитратами и нитритами. Так как основной способ очистки комплекса гидравлический, то комплекс в сутки потребляет 3000 м3 воды, что соответствует потребности в воде 2000 чел. Сельскохозяйственные животные часто поражаются заболеваниями, вызываемыми паразитическими червями – гельминтами. Из-за пораженности животных гельминтами они потребляют кормов больше на 11% , а привес на 15% меньше чем здоровые животные. Снизить степень пораженности животных гельминтами и болезнетворными бактериями можно лишь при внедрении в практику мер, профилактирующих возможность заражения. Обычно гельминтами животные заражаются, заглатывая с кормом или водой их яйца-личинки, которые попадают во внешнюю среду с калом животных. Следовательно, крайне важно производить уничтожение яиц гельминтов перед использованием навоза его в качестве удобрения, особенно на пастбищах и полях, предназначенных под кормовые культуры. Методы дегельминтизации "твердого" подстилочного навоза разработаны еще в тридцатых годах нашего столетия. Яйца и личинки гельминтов не переносят температуру свыше 40, и в течение примерно минуты погибают при температуре 60. Исходя из этого был предложен метод биометрической дегельминтизации навоза, основанный на явлении самонагревания навоза при аэробном брожении. Десятидневное метановое сбраживание навоза в бродильных камерах биогазовой установки обеспечивает полное обеззараживание навоза от яиц и личинок ряда болезнетворных бактерий, гельминтов (аскарид, трихоцефалят, дикройцелей и стронголят). Установлено также, что мухи в сбраженном навозе не размножаются, отложенные в нем личинки погибают. При этом анаэробный метод переработки отходов имеет следующие преимущества перед другими методами обеззараживание навоза с санитарно-экологической позиции: быстрота обеззараживания (5–20 суток по сравнению с 6–12 месяцами в открытом накопителе), из-за герметичности емкости переработка осуществляется без запаха, дезодорация – уничтожение запаха, полная дегельминация – уничтожение яиц гельминтов, В 80-х годах в РБ на 1 гектар вносили 15 т необработанных органических удобрений, 250 кг минеральных удобрений и 3,8 кг средств защиты растений. При этом установлено, что менее половины объема удобрений потребляется культурными растениями. Например, по азотным удобрениям картина потребления имеет следующий вид: культурными растениями – 39%, сорняками – 46%, теряется безвозвратно – 15%. Это обусловлено тем, что вместе с органическими удобрениями в почву вносилась множество семян сорняков, а питательных веществ в навозе находятся в трудноусвояемой форме. Не рациональное использование удобрений и ядохимикатов привело к тому что, вследствие загрязнения химическими элементами более трети колодцев в сельской местности в РБ не соответствуют стандартам качества воды. При этом минеральные удобрения требуют значительных энергозатрат. Так на производство 1 кг азотных удобрений требуется 55–60 Дж энергии, 1кг фосфорных – 10–14 Дж, 1 кг калийных – 4,6–5,0 Дж. В 1990 году в РБ на поля внесено 2 млн. т минеральных удобрений или в перечете через энергию 2,2 млн. т у.т. Кроме того, производство минеральных удобрений сопровождается выбросом большого количества вредных веществ. Анаэробное сбраживание навоза и растительных отходов в биогазовых установках обогащает их бактериями метанового брожения, повышает удобрительные качества за счет сохранения питательных веществ и перевода значительной части их в легкоусвояемую растениями минеральную форму. Фосфор и калий практически полностью сохраняются в сброженной массе, а потери азота не превышают 5% (при аэробном сбраживании потери азота составляют около 40%). Анаэробная переработка органического удобрения позволяет полностью отказаться или значительно сократить использование минеральных удобрений без потери урожая. Практикой установлено, что использование переработанного анаэробным методом навоза повышает урожайность зерновых и картофеля на 20–30% по сравнению с применением несброженного навоза. Кроме того из 80 т навоза получается всего 1 т шлама, что значительно снижает затраты на транспортировку и внесения в почву удобрения. Следовательно, переработка различных отходов носит комплексный характер и позволяет решить ряд важных проблем: санитарно-экологическую (обезвреживание отходов), агрохимическую (получение органического удобрения), энергетическую (получение топлива). Получение биогаза в метантеках Получение биогаза в метантенках становится экологически и экономически оправданным, когда метантенк работает на переработке существующего потока отходов. Например, отходы животноводческих ферм, скотобоен, стоки канализационных систем и т.п. Экономичность в этом случае связана с тем, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении процессом их подачи. КПД метантенка, который определяется как отношение энергии биогаза к энергии исходного сухого материала, достигает 60–90%. Схема биогазовой установки представлена на рис. 3.11. Сырье, содержащее 2–10% органических веществ из отстойника 1 через теплообменник 2, где оно подогревается до температуры ферментации, подается в метантенк 3.  Рис. 3.11. Схема биогазовой установки Метантенки выполняются из железобетона, стали или полимерных материалов. Они могут иметь разную форму и конструкцию, от кубической до цилиндрической, расположеныгоризонтально или вертикально. Наибольшее распространение получили метантенки яйцеобразной конструкции и цилиндрической с конусным основанием. Метантеки снабжаются мешалками для перемешивания бродящей массы с целью ускорения процессов и теплообменниками для поддержания необходимой температуры сбраживаемой биомассы. Перемешивание способствует равномерному распределению питательных веществ в объеме реактора и препятствует образованию осадка на дне метантенка. В отсутствии перемешивания на поверхности биомассы вначале образуется пена, а затем твердая корка, которая может привести к полной остановке процесса сбраживания. Образующиеся газы удаляются через газовый колпак, расположенный в верхней части метантенка. Газ по газопроводу поступает в котел 5 или в газохранилище– газгольдер 4. Из каждой тонны навоза выделяется в среднем 50 м3 биогаза. Метановое брожение – процесс эндотермический, требует постоянного подогрева для поддержания необходимой температуры ферментации. Как правило, метантенки и сырье подогреваются за счет сжигания образующегося биогаза. В среднем на поддержание требуемой температуры ферментации расходуется от 15–20% (мезофильный процесс) до 30–50% (термофильный процесс) биогаза. Поэтому одним из важных моментов эксплуатации метантенков является их хорошая теплоизоляция. Процесс брожения биомассы в метантенке идет достаточно долго. Сначала распадаются легко разлагающиеся органические вещества с наибольшим выходом биогаза, а затем начинают распадаться трудноразлагающиеся органические вещества с заметно меньшей скоростью выхода биогаза. Поэтому, исходя из экономических соображений, на практике время продолжительности процесса брожения выбирают равное времени разложения до 40–50% органических веществ (от 8 до 20 суток). Во многих странах мира созданы и введены в эксплуатацию малогабаритные фермерские и крупные промышленные установки по переработке навоза в биогаз. Например, в Швейцарии насчитывается свыше 200 установок. Большинство из них работает при температуре 28–37С. Есть установки, расположенные под полом коровника, что позволяет максимально использовать тепло навоза. В Индии работает свыше 500 тыс. биогазовых установок и биогаз покрывает на 44% потребность страны в электроэнергии. Успешно развивается использование биогазовых установок в Голландии, Великобритании, Китае и других странах. 3.5.5. Методика определения технических параметров биогазагенератора 1. Объем навозоприемника: Vн =kmсутtсб/н, где mсут – суточный выход навоза с начальной влажностью (около 92%), кг/сут;  ,  – суточный выход сухого сбраживаемого материала, кг/сут; н – плотность навоза, кг/м3 (н = 1020 кг/м3); tсб – время накопления навоза, продолжительность сбраживания в метантеке (от 8 до 20 суток), сут; k – коэффициент, учитывающий изменение плотности навоза, в зависимости от исходной влажности (k = 1,5).2. Объем метантенка: Vм = m0сутtсб, где –удельный вес жидкой массы на 1 кг сухого сбраживаемого материала, 0,02 м3/кг. 3. Суточный выход биогаза: Bб = m0сутb, м3/сут, где b – удельный выход биогаза, приходящийся на 1кг переработанного навоза, (от 0,2 до 0,4 м3/кг). 4. Общая тепловая энергия получаемого биогаза: Qобщ = BбQб, МДж/сут, где Qб = 20–25 МДж/м3 – теплота сгорания биогаза. 5 Расход теплоты на нагрев жидкой массы в метантенке с t1 = 15С до t2 = 35С (мезофильный режим). Qн = снm0сут н(t2 – t1)/ , МДж/сут, где сн – теплоемкость жидкой массы (сн = 0,00406 МДж/(кгС); = КПД нагревательного устройства ( = 0,7). 6. Расход теплоты на собственные нужды: Qс.н. =1,06 Qн , МДж/сут, где 1,06 – коэффициент, учитывающий тепловые потери. 7. Общее количество биогаза, идущего на собственные нужды: Bс.н. = Qс.н./ Qб, м3/сут. 8. Выход товарного биогаза: Bб.т. = Bб – Bс.н., м3/сут. 9. Коэффициент расхода биогаза на собственные нужды (0,15–0,5): б = Bс.н./ Bб. 10. Объем газгольдера: Vг = tн.б Bб.т., м3, где tн.б – время накопления биогаза, сутки. 3.5.6. Добыча и утилизация свалочного газа Одним из основных способов удаления твердых бытовых отходов во всем мире остается захоронение в приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биохимическому разложению, которое вызывает, в частности, генерацию свалочного газа. Эмиссии свалочного газа, поступающие в природную среду, формируют негативные эффекты как локального, так и глобального характера. По этой причине во многих развитых странах мира осуществляются специальные мероприятия по минимизации эмиссии свалочного газа. Это фактически привело к возникновению самостоятельной отрасли мировой индустрии, которая включает добычу и утилизацию свалочного газа. Существенная часть фракций твердых бытовых отходов повсеместно представлена различными органическими материалами. Основными группами среди них являются пищевые остатки и бумага. В среднем целом доля органических фракций твердых бытовых отходов колеблется от 56% до 62%. В условиях захоронений, быстро формируются анаэробные условия, в которых протекает биоконверсия органического вещества. В результате этого процесса образуется биогаз или так называемый свалочный газ. Существенное варьирование газопродуктивности и скорости процесса определяется условиями среды, сложившимися в конкретном свалочном теле. К числу параметров, влияющих на скорость газообразрвания относятся влажность, температура, состав органических фракций. Как правило, в составе органического вещества выделяют быстро-, средне- и медленноразлагаемые материалы. Они существенно различаются по своим физико-химические свойствам и сроком биологического распада. Так, например, разложение «быстрых» фракций завершается в течение 2–4 лет, в то время, как биоконверсия «медленных» протекает в течение десятилетий. Можно утверждать, что в среднем газогенерация заканчивается в свалочном материале в течение 10–50 лет, при этом удельный выход газа составляет 120–200 м3 на тонну твердых бытовых отходов. Для большинства органического материала наиболее интенсивно процесс газообразования протекает в первые 5 лет, за которые выделяется около 50% полного запаса свалочного газа. Основными компонентами свалочного газа являются метан (CH4 и диоксид углерода (СO2). Их соотношение может меняться от 40–70% до 30–60% соответственно. В существенно меньших концентрациях на уровне около процента присутствуют, как правило, азот (N2), кислород (O2), водород (Н). В качестве малых примесей в состав свалочного газа могут входить десятки различных органических соединений. Состав свалочного газа обуславливает ряд его специфических свойств: свалочной газа горюч, его средняя теплота сгорания составляет примерно 23 МДж/м3. В определенных концентрациях он токсичен. Конкретные показатели токсичности определяются наличием ряда микропримесей, таких, например, как сероводород (H2S). Обычно свалочной газ обладает резким неприятным запахом. Приведенный перечень негативных явлений, обусловленных свалочным газом, убедительно свидетельствует о необходимости борьбы с его выделением. В большинстве развитых стран существуют специальные законы, обязывающие владельцев полигонов предотвращать стихийное распространение свалочного газа. Основным методом, обеспечивающим решение этой задачи, является технология утилизации свалочного газа. Для извлечения свалочного газа на полигонах используется сеть вертикальных газодренажных скважин соединенных линиями газопроводов, в которых компрессорная установка создает разрежение, необходимое для транспортировки свалочного газа до места использования. Установки по сбору и утилизации монтируются на специально подготовленной площадке за пределами свалочной массы. Сооружение газодренажной системы может осуществляться как целиком на всей территории полигона твердых бытовых отходов после окончания его эксплуатации, так и на отдельных участках полигона в соответствии с очередностью их загрузки. При этом надо учитывать, что для добычи свалочного газа необходимо чтобы толщина слоя твердых бытовых отходов составляла не менее 10 м. Желательно также, чтобы территория полигона твердых бытовых отходов была перекрыта слоем грунта мощностью не менее 30–40 см. Для добычи свалочного газа на полигонах твердых бытовых отходов применяются вертикальные скважины. Обычно они располагаются равномерно по территории свалочной массы с шагом 50–100 м между соседними скважинами. Их диаметр колеблется в интервале 200–600 мм, а глубина определяется мощностью свалочного тела и может составлять несколько десятков метров. При бурении скважин в толще отходов в белорусских условиях наиболее целесообразным, является использование шнекового бурения. Оно сравнительно недорого и легко доступно, т.к. широко используется в инженерно-геологических изысканиях. При использовании этого вида бурения максимально диаметр скважин составляет 250–500 мм. Однако их строительство может встречать ряд трудностей, связанных с присутствием большого количества инородных включений (металлических и бетонных конструкций, остатков техники, механизмов и пр.) в свалочной толще, затрудняющих бурение и приводящих к частой поломке бурового инструмента. Инженерное обустройство скважины включает несколько этапов (рис. 3.12). На первом в скважину опускается перфорированная стальная или пластиковая труба 1, заглушённая снизу и снабженная фланцевым соединением в приустьевой части. Затем в межтрубное пространство засыпается пористый материал 2 (например, гравий) с послойным уплотнением до глубины 3–4 м от устья скважины. На последнем этапе сооружается глиняный замок 3 мощностью 3–4 м для предотвращения попадания в скважину атмосферного воздуха.  Рис. 3.12. Схема обустройства скважины Температура свалочного газа в толще отходов может достигать 40–50°С, а содержание влаги – 5–7% . После экстракции свалочного газа из свалочного тела и его поступления в транспортные газопроводы происходит резкое снижение температуры, что приводит к образованию конденсата, который может выделяться в значительных количествах. Ориентировочно, при добыче свалочного газа в объеме 100 м3/час, в сутки образуется около 1 м3 конденсата. Поэтому отвод конденсата с помощью специальных устройств является задачей первостепенной важности, т.к. его наличие в газопроводе может затруднить или сделать невозможной экстракцию свалочного газа. При выборе материалов для газопроводов обычно рассматривают два варианта: использование пластиковых или стальных труб. Их сравнительный анализ проводится по следующим критериям: механическая прочность; коррозионная стойкость; возможность использования в просадочных грунтах. Основное преимущество стальных труб обусловлено механической прочностью и их повсеместным использованием при строительстве газопроводов. Пластиковые трубы характеризуются высокой коррозионной стойкостью и пластичностью. Учитывая высокую просадочную способность твердых бытовых отходов и высокую коррозионную активность свалочного газа, для прокладки газопровода рекомендуется использовать пластиковые трубы из полиэтилена низкого давления (ПНД). Полиэтиленовые газопроводы обладают рядом преимуществ по сравнению с металлическими: они гораздо легче, обладают достаточной прочностью, эластичностью и коррозийной стойкостью, хорошо свариваются, не требуют электрохимической защиты. Производительность труда при строительстве полиэтиленовых газопроводов в 2,5 раза выше. По системе трубопроводов свалочный газ поступает на пункт сбора. Газосборный пункт предназначен для принудительного извлечения свалочного газа из свалочной толщи с помощью специального электровентилятора, который в системе газопроводов создается небольшое разряжение (около 10 кПа). В мировой практике известны следующие способы утилизации свалочного газа: факельное сжигание, обеспечивающее устранение неприятных запахов и снижение пожароопасности на территории полигона твердых бытовых отходов, при этом энергетический потенциал свалочного газа неиспользуется в хозяйственных целях; прямое сжигание свалочного газа для производства тепловой энергии; использование свалочного газа в качестве топлива для газовых двигателей или турбин с целью получения электроэнергии и тепла; доведение содержания метана в свалочном газе (обогащение) до 94–95% с последующим его использованием в газовых сетях общего назначения. Целесообразность применения того или иного способа утилизации свалочного газа зависит от конкретных условий хозяйственной деятельности на полигоне твердых бытовых отходов. |